Charakterisierung und Kompensation geometrischer Einflüsse auf die Laser-Emissionsspektroskopie bei der Inline-Werkstoffanalyse

Brunk, Markus; Poprawe, Reinhart; Schmitt, Robert

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-067823

Charakterisierung und Kompensation geometrischer Einflüsse auf die Laser-Emissionsspektroskopie bei der Inline-Werkstoffanalyse

Brunk, Markus

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Markus Brunk

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhart (Thesis advisor) ; Schmitt, Robert (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-10-30

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-067823
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/561337/files/561337.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/561337/files/561337.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Lasertechnik (418710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei) ; laser-induced breakdown spectroscopy (frei) ; laser (frei) ; breakdown (frei) ; spectroscopy (frei) ; LIBS (frei) ; Winkelabhängigkeit (frei) ; geometrische Abhängigkeit (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Im Bereich des Metallrecyclings kann es von Interesse sein vor dem Schmelzprozess eine Sortierung des Ausgangsmaterials nach den Legierungsbestandteilen vorzunehmen. Die Verwendung der Laser-Emissionsspektroskopie (engl. laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS)) zur Sortierung von Einzelteilen auf einem Förderband hat gegenüber konventioneller Verfahren einige Vorteile in Bezug auf Probenvorbereitung, Selektivität und Durchsatz. Werden Sortieranlagen mit LIBS-Sensoren eingesetzt, um Einzelobjekte auf einem Förderband zu untersuchen, ergibt sich aus der Geometrie zwischen einfallendem Laserstrahl und Probenoberfläche eine Abhängigkeit zu den gemessenen spektroskopischen Größen. In dieser Dissertation werden diese geometrischen Abhängigkeiten experimentell untersucht. Dabei wird neben der Untersuchung der Plasmaparameter der wesentliche Fokus auf Auswahlkriterien geeigneter Linienverhältnisse sowie die Ermittlung optimierter Kalibriermethoden gelegt. Die Messreihen zeigen, dass für steigende Winkel und steigende Abweichung vom Fokus neben dem generellen Abfall der Intensität auch eine Verringerung der Plasmatemperatur und der Elektronendichte festzustellen ist. Einige der durchgeführten Kalibrierungen weisen eine lineare Abhängigkeit vom Winkel auf. Wird für diese Linienpaare der Winkel in Form einer Kalibrierfläche berücksichtigt, kann die Winkelabhängigkeit um ca. Faktor 10 reduziert werden. Die Verfahrensstandartabweichung verschlechtert sich allerdings um ca. Faktor 2. Andere durchgeführte Kalibrierungen haben gezeigt, dass einige der Linienpaare eine Winkelabhängigkeit aufweisen, die Faktor 10 kleiner als die Verfahrensstandartabweichung ist und somit vernachlässigt werden kann. Für diese Linienpaare wurden verschiedene Parameter untersucht, die einen Hinweis auf die Winkelunabhängigkeit der Linienpaare liefern. Als einziger Parameter konnte hier die Wellenlänge gefunden werden. Linienpaare geringer Winkelabhängigkeit liegen innerhalb eines keinen Wellenlängenintervalls. Ein geringer Abstand zwischen Analyte- und Referenzlinie führt allerdings nicht zwangsläufig zu einer geringen Winkelabhängigkeit.Durch die Verwendung optimaler Linienverhältnisse kann der Winkeleinfluss reduziert und damit die Messgenauigkeit erhöht werden. Dies erlaubt ein Recycling ohne Downcycling und damit eine bessere Nutzung der Ressourcen.

In the field of metal recycling it is of interest to sort the material by the alloy elements before it is melted. The usage of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) for the sorting process of single pieces on a conveyer belt has some advantages in contrast to conventional methods regarding sample preparation, selectivity and throughput. If a LIBS based system is used for sorting, the results from the geometry between the incident laser beam and the surface of the peaces show dependence between geometry and the spectroscopic signal. In this thesis, the geometric dependence is experimentally investigated. Beside the investigation of the plasma parameters the main focus is on the selection criteria of suitable line pairs as well as establishing an optimized calibration method. The measurements show that with increasing angle and increasing defocusing in addition to a general drop of the intensity a drop of the plasma temperature and the electron density can be determined. Some of the performed calibrations show a linear dependence to the angle. Is the angle taken into account during the calibration the dependence to the angle can be reduced by the factor of 10 but the standard deviation of the process increases by the factor of 2 at the same time. Other performed calibrations have shown that some pairs of lines have an angle dependence which is 10 times lower than the standard deviation of the process so that the angle dependence can be neglected for these pairs of lines. Some line parameters were examined for these pairs of lines to find a reference to the angle independence. The only parameter that was identified is the wavelength. Pairs of lines with small angle dependence are within a small wavelength interval. But a small wavelength distance between the analyte- and reference- line does not necessarily result in angle independence.By the use of optimal pairs of lines the angle dependence can be reduced and so the measurement accuracy can be increased. This allows a recycling process without down cycling and a better use of the resources.

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